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Java NIO原理图文分析及代码实现
2016-12-01 09:52:00         来源:qingcompany的博客  
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Java NIO原理图文分析及代码实现
前言:

最近在分析hadoop的RPC(Remote Procedure Call Protocol ,远程过程调用协议,它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务,而不需要了解底层网络技术的协议。可以参考:http://baike.baidu.com/view/32726.htm)机制时,发现hadoop的RPC机制的实现主要用到了两个技术:动态代理和java NIO。为了能够正确地分析hadoop的RPC源码,我觉得很有必要先研究一下java NIO的原理和具体实现。

这篇博客我主要从两个方向来分析java NIO

目录:
一.java NIO 和阻塞I/O的区别
1. 阻塞I/O通信模型
2. java NIO原理及通信模型
二.java NIO服务端和客户端代码实现

具体分析:

一.java NIO 和阻塞I/O的区别

1. 阻塞I/O通信模型


假如现在你对阻塞I/O已有了一定了解,我们知道阻塞I/O在调用InputStream.read()方法时是阻塞的,它会一直等到数据到来时(或超时)才会返回;同样,在调用ServerSocket.accept()方法时,也会一直阻塞到有客户端连接才会返回,每个客户端连接过来后,服务端都会启动一个线程去处理该客户端的请求。阻塞I/O的通信模型示意图如下:

 

\

 

如果你细细分析,一定会发现阻塞I/O存在一些缺点。根据阻塞I/O通信模型,我总结了它的两点缺点:
1. 当客户端多时,会创建大量的处理线程。且每个线程都要占用栈空间和一些CPU时间

2. 阻塞可能带来频繁的上下文切换,且大部分上下文切换可能是无意义的。

在这种情况下非阻塞式I/O就有了它的应用前景。

2.java NIO原理及通信模型

Java NIO是在jdk1.4开始使用的,它既可以说成“新I/O”,也可以说成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工作原理:

1. 由一个专门的线程来处理所有的 IO 事件,并负责分发。
2. 事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。
3. 线程通讯:线程之间通过 wait,notify 等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的线程切换。

阅读过一些资料之后,下面贴出我理解的java NIO的工作原理图:

 

\

 

(注:每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。)

Java NIO的服务端只需启动一个专门的线程来处理所有的 IO 事件,这种通信模型是怎么实现的呢?呵呵,我们一起来探究它的奥秘吧。java NIO采用了双向通道(channel)进行数据传输,而不是单向的流(stream),在通道上可以注册我们感兴趣的事件。一共有以下四种事件:

 

事件名 对应值
服务端接收客户端连接事件 SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
客户端连接服务端事件 SelectionKey.OP_CONNECT(8)
读事件 SelectionKey.OP_READ(1)
写事件 SelectionKey.OP_WRITE(4)

服务端和客户端各自维护一个管理通道的对象,我们称之为selector,该对象能检测一个或多个通道 (channel) 上的事件。我们以服务端为例,如果服务端的selector上注册了读事件,某时刻客户端给服务端发送了一些数据,阻塞I/O这时会调用read()方法阻塞地读取数据,而NIO的服务端会在selector中添加一个读事件。服务端的处理线程会轮询地访问selector,如果访问selector时发现有感兴趣的事件到达,则处理这些事件,如果没有感兴趣的事件到达,则处理线程会一直阻塞直到感兴趣的事件到达为止。下面是我理解的java NIO的通信模型示意图:

 

\

 

二.java NIO服务端和客户端代码实现

为了更好地理解java NIO,下面贴出服务端和客户端的简单代码实现。

服务端:

  1. packagecn.nio;
  2.  
  3. importjava.io.IOException;
  4. importjava.net.InetSocketAddress;
  5. importjava.nio.ByteBuffer;
  6. importjava.nio.channels.SelectionKey;
  7. importjava.nio.channels.Selector;
  8. importjava.nio.channels.ServerSocketChannel;
  9. importjava.nio.channels.SocketChannel;
  10. importjava.util.Iterator;
  11.  
  12. /**
  13. *NIO服务端
  14. *@author小路
  15. */
  16. publicclassNIOServer{
  17. //通道管理器
  18. privateSelectorselector;
  19.  
  20. /**
  21. *获得一个ServerSocket通道,并对该通道做一些初始化的工作
  22. *@paramport绑定的端口号
  23. *@throwsIOException
  24. */
  25. publicvoidinitServer(intport)throwsIOException{
  26. //获得一个ServerSocket通道
  27. ServerSocketChannelserverChannel=ServerSocketChannel.open();
  28. //设置通道为非阻塞
  29. serverChannel.configureBlocking(false);
  30. //将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
  31. serverChannel.socket().bind(newInetSocketAddress(port));
  32. //获得一个通道管理器
  33. this.selector=Selector.open();
  34. //将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后,
  35. //当该事件到达时,selector.select()会返回,如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。
  36. serverChannel.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
  37. }
  38.  
  39. /**
  40. *采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理
  41. *@throwsIOException
  42. */
  43. @SuppressWarnings("unchecked")
  44. publicvoidlisten()throwsIOException{
  45. System.out.println("服务端启动成功!");
  46. //轮询访问selector
  47. while(true){
  48. //当注册的事件到达时,方法返回;否则,该方法会一直阻塞
  49. selector.select();
  50. //获得selector中选中的项的迭代器,选中的项为注册的事件
  51. Iteratorite=this.selector.selectedKeys().iterator();
  52. while(ite.hasNext()){
  53. SelectionKeykey=(SelectionKey)ite.next();
  54. //删除已选的key,以防重复处理
  55. ite.remove();
  56. //客户端请求连接事件
  57. if(key.isAcceptable()){
  58. ServerSocketChannelserver=(ServerSocketChannel)key
  59. .channel();
  60. //获得和客户端连接的通道
  61. SocketChannelchannel=server.accept();
  62. //设置成非阻塞
  63. channel.configureBlocking(false);
  64.  
  65. //在这里可以给客户端发送信息哦
  66. channel.write(ByteBuffer.wrap(newString("向客户端发送了一条信息").getBytes()));
  67. //在和客户端连接成功之后,为了可以接收到客户端的信息,需要给通道设置读的权限。
  68. channel.register(this.selector,SelectionKey.OP_READ);
  69.  
  70. //获得了可读的事件
  71. }elseif(key.isReadable()){
  72. read(key);
  73. }
  74.  
  75. }
  76.  
  77. }
  78. }
  79. /**
  80. *处理读取客户端发来的信息的事件
  81. *@paramkey
  82. *@throwsIOException
  83. */
  84. publicvoidread(SelectionKeykey)throwsIOException{
  85. //服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
  86. SocketChannelchannel=(SocketChannel)key.channel();
  87. //创建读取的缓冲区
  88. ByteBufferbuffer=ByteBuffer.allocate(10);
  89. channel.read(buffer);
  90. byte[]data=buffer.array();
  91. Stringmsg=newString(data).trim();
  92. System.out.println("服务端收到信息:"+msg);
  93. ByteBufferoutBuffer=ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
  94. channel.write(outBuffer);//将消息回送给客户端
  95. }
  96.  
  97. /**
  98. *启动服务端测试
  99. *@throwsIOException
  100. */
  101. publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{
  102. NIOServerserver=newNIOServer();
  103. server.initServer(8000);
  104. server.listen();
  105. }
  106.  
  107. }

 

客户端:

  1. packagecn.nio;
  2.  
  3. importjava.io.IOException;
  4. importjava.net.InetSocketAddress;
  5. importjava.nio.ByteBuffer;
  6. importjava.nio.channels.SelectionKey;
  7. importjava.nio.channels.Selector;
  8. importjava.nio.channels.SocketChannel;
  9. importjava.util.Iterator;
  10.  
  11. /**
  12. *NIO客户端
  13. *@author小路
  14. */
  15. publicclassNIOClient{
  16. //通道管理器
  17. privateSelectorselector;
  18.  
  19. /**
  20. *获得一个Socket通道,并对该通道做一些初始化的工作
  21. *@paramip连接的服务器的ip
  22. *@paramport连接的服务器的端口号
  23. *@throwsIOException
  24. */
  25. publicvoidinitClient(Stringip,intport)throwsIOException{
  26. //获得一个Socket通道
  27. SocketChannelchannel=SocketChannel.open();
  28. //设置通道为非阻塞
  29. channel.configureBlocking(false);
  30. //获得一个通道管理器
  31. this.selector=Selector.open();
  32.  
  33. //客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接,需要在listen()方法中调
  34. //用channel.finishConnect();才能完成连接
  35. channel.connect(newInetSocketAddress(ip,port));
  36. //将通道管理器和该通道绑定,并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。
  37. channel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT);
  38. }
  39.  
  40. /**
  41. *采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件,如果有,则进行处理
  42. *@throwsIOException
  43. */
  44. @SuppressWarnings("unchecked")
  45. publicvoidlisten()throwsIOException{
  46. //轮询访问selector
  47. while(true){
  48. selector.select();
  49. //获得selector中选中的项的迭代器
  50. Iteratorite=this.selector.selectedKeys().iterator();
  51. while(ite.hasNext()){
  52. SelectionKeykey=(SelectionKey)ite.next();
  53. //删除已选的key,以防重复处理
  54. ite.remove();
  55. //连接事件发生
  56. if(key.isConnectable()){
  57. SocketChannelchannel=(SocketChannel)key
  58. .channel();
  59. //如果正在连接,则完成连接
  60. if(channel.isConnectionPending()){
  61. channel.finishConnect();
  62.  
  63. }
  64. //设置成非阻塞
  65. channel.configureBlocking(false);
  66.  
  67. //在这里可以给服务端发送信息哦
  68. channel.write(ByteBuffer.wrap(newString("向服务端发送了一条信息").getBytes()));
  69. //在和服务端连接成功之后,为了可以接收到服务端的信息,需要给通道设置读的权限。
  70. channel.register(this.selector,SelectionKey.OP_READ);
  71.  
  72. //获得了可读的事件
  73. }elseif(key.isReadable()){
  74. read(key);
  75. }
  76.  
  77. }
  78.  
  79. }
  80. }
  81. /**
  82. *处理读取服务端发来的信息的事件
  83. *@paramkey
  84. *@throwsIOException
  85. */
  86. publicvoidread(SelectionKeykey)throwsIOException{
  87. //和服务端的read方法一样
  88. }
  89.  
  90.  
  91. /**
  92. *启动客户端测试
  93. *@throwsIOException
  94. */
  95. publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{
  96. NIOClientclient=newNIOClient();
  97. client.initClient("localhost",8000);
  98. client.listen();
  99. }
  100.  
  101. }
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